Modelo de Análise por Elementos Finitos para Avaliação de Padrões de Expansão da Expansão Rápida do Palato Assistida Cirurgicamente

Summary

Um conjunto de novos modelos de elementos finitos de expansão palatal rápida cirurgicamente assistida (PEAR) que poderiam realizar uma quantidade clinicamente necessária de ativação do expansor com vários ângulos de osteotomia bucal foi criado para uma análise mais aprofundada dos padrões de expansão das hemimaxilas nas três dimensões.

Abstract

A expansão rápida do palato cirurgicamente assistida (PEAR) foi introduzida para liberar resistência óssea para facilitar a expansão esquelética em pacientes esqueleticamente maduros. Entretanto, expansão assimétrica entre os lados esquerdo e direito foi relatada em 7,52% de todos os pacientes com SRPE, dos quais 12,90% tiveram que ser submetidos a uma segunda cirurgia para correção. As etiologias que levam à expansão assimétrica permanecem obscuras. A análise por elementos finitos tem sido utilizada para avaliar o estresse associado ao PEAR nas estruturas maxilofaciais. No entanto, como a colisão do osso nos sítios de osteotomia LeFort I ocorre somente após certa expansão, a maioria dos modelos existentes não representa verdadeiramente a distribuição de força, uma vez que a quantidade de expansão desses modelos existentes raramente excede 1 mm. Portanto, há necessidade de criar um novo modelo de elementos finitos do SARPE que possa realizar uma quantidade clinicamente necessária de ativação do expansor para uma análise mais aprofundada dos padrões de expansão das hemimaxilas nas três dimensões. Um modelo tridimensional (3D) de crânio da tomografia computadorizada de feixe cônico (TCFC) foi importado para o Mimics e convertido em entidades matemáticas para segmentar o complexo maxilar, os primeiros pré-molares superiores e os primeiros molares superiores. Essas estruturas foram transferidas para o Geomagic para alisamento da superfície e criação de osso esponjoso e ligamento periodontal. A metade direita do complexo maxilar foi então retida e espelhada para criar um modelo perfeitamente simétrico no SolidWorks. Um expansor Haas foi construído e colado aos primeiros pré-molares superiores e primeiros molares. A análise por elementos finitos de várias combinações de osteotomias bucais em diferentes ângulos com clearance de 1 mm foi realizada em Ansys. Um teste de convergência foi realizado até que a quantidade desejada de expansão em ambos os lados (pelo menos 6 mm no total) fosse alcançada. Este estudo estabelece as bases para avaliar como a angulação da osteotomia bucal influencia os padrões de expansão do SARPE.

Introduction

A expansão rápida do palato cirurgicamente assistida (PEAR) é uma técnica comumente utilizada para expansão transversal da estrutura óssea maxilar e da arcada dentária em pacientes esqueleticamente^maduros1. A cirurgia envolve osteotomia LeFort I, corticotomia palatina média e, opcionalmente, liberação da fissura pterigomaxilar². Entretanto, padrões de expansão indesejada do PEAR, como expansão desigual entre as hemimaxilas direita e esquerda³ e inclinação/rotação bucal do processo dentoalveolar⁴, têm sido relatados, o que pode levar à falha do PEAR e, às vezes, até mesmo necessitar de cirurgias adicionais para correção⁵. Estudos prévios indicaram que a variação nas osteotomias circum-maxilares pode desempenhar um papel significativo no padrão de expansão pós-SARPE^2,3, uma vez que as colisões entre os blocos ósseos nos sítios de osteotomia Le Fort I podem contribuir para a força de resistência desigual da expansão lateral das hemimaxilas e para a rotação das hemimaxilas com as bordas alveolares abaixo do corte movendo-se para dentro enquanto o processo dentoalveolar se expande ^{3, 4º}. Portanto, há necessidade de investigar os efeitos das diferentes direções da osteotomia, especialmente da osteotomia bucal, sobre os padrões de expansão pós-SARPE.

Vários modelos de análise por elementos finitos (FEA) foram montados para avaliar a distribuição de força durante o SARPE. Entretanto, a quantidade de expansão ajustada nesses modelos é limitada a até 1 mm, muito abaixo da quantidade clínica necessária6,7,8,9,10,11,12. A expansão inadequada em modelos de FEA pode levar a previsões errôneas de desfechos pós-SARPE. Mais especificamente, a colisão entre os ossos no local da osteotomia, como relatado por Chamberland e Proffit⁴, pode não ser demonstrada se o expansor não for girado adequadamente, o que pode não refletir a verdadeira realidade clínica. Com a quantidade limitada de expansão construída nos modelos anteriores, as avaliações de resultados desses modelos foram focadas na análise de estresse. No entanto, a análise de tensões da AEF em odontologia é usualmente realizada sob carga estática com as propriedades mecânicas de materiais fixados como isotrópicos e linearmente elásticos, o que restringe ainda mais a relevância clínica dos estudos de AFE¹³.

Além disso, a maioria desses estudos não considerou a espessura do instrumental cirúrgico no local da osteotomia6,7,8,10,11,12^, muitas vezes colocando o atrito em zero nos cortes como parte das condições de contorno. No entanto, essa configuração simplifica demais os contatos entre os tecidos duros e moles. Pode afetar significativamente a distribuição de força e o padrão de expansão resultante das hemimaxilas.

No entanto, não há literatura disponível para investigar o efeito da osteotomia na assimetria pós-SARPE utilizando modelos de análise por elementos finitos (FEA). Todos os estudos atuais empregaram modelos com padrões simétricos de osteotomia6,7,8,9,10,11,12,14, que não refletem a realidade da prática clínica^, onde as osteotomias podem diferir em cada lado do crânio. A escassez de literatura que examine o efeito das osteotomias assimétricas na assimetria pós-SARPE representa uma lacuna significativa de conhecimento que deve ser abordada.

Portanto, o objetivo deste estudo é desenvolver um novo modelo de FEA de SARPE que possa realmente mimetizar as condições clínicas, incluindo a quantidade de expansão e o gap de osteotomia, e investigar os padrões de expansão das hemimaxilas nas três dimensões com vários desenhos da osteotomia. Tal abordagem forneceria informações valiosas sobre a mecânica subjacente aos padrões de expansão pós-SARPE e serviria como uma ferramenta útil para os clínicos no planejamento e execução de procedimentos SARPE.

Protocol

Este estudo utilizou uma imagem pré-existente, desidentificada, pré-tratamento de TCFC de um paciente que tinha SRAG como parte dos planos de tratamento. O estudo foi conduzido de acordo com a Declaração de Helsinque e aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa (protocolo #853608).

1. Aquisição da amostra e segmentação dentária

1. Adquirir uma imagem de TCFC humana da cabeça em uma posição natural da cabeça que inclua o complexo maxilar do paciente, incluindo o osso basal maxilar, o osso alveolar maxilar e a dentição maxilar.
2. Importe os arquivos CBCT Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) para o software Mimics.
   1. Criar Novo Projeto (Ctrl + N), selecione todas as imagens DICOM e clique em Avançar e Converter.
   2. Defina a direção do modelo (A: anterior, P: posterior, T: superior, B: inferior, L: esquerda, R: direita) e clique em OK.
3. Segmentar a lima em complexo maxilar, primeiros pré-molares superiores e primeiros molares superiores.
   1. Clique em Limite, selecione um limite apropriado para segmentar ossos e clique em Aplicar.
   2. Crie novas máscaras e clique em Editar Máscaras, usando Desenhar e Apagar para segmentar o complexo maxilar do paciente, os primeiros pré-molares superiores e os primeiros molares superiores.
4. Exporte os destinos como arquivos de estereolitografia (STL).
   1. Clique com o botão direito do mouse nas máscaras e selecione Calcular 3D para gerar objetos 3D .
   2. Clique com o botão direito do mouse em objetos 3D, selecione STL+, escolha os objetos exigidos e pressione Adicionar e Concluir para criar arquivos STL.

2. Alisamento da superfície e criação do osso esponjoso e espaço do ligamento periodontal

1. Importe os arquivos STL para o software Geomagic.
   1. Clique em Arquivo > Abrir, selecione os arquivos STL e pressione Abrir.
   2. Escolha Milímetros para os dados na janela pop-up Unidades e clique em OK.
2. Alisar a superfície do complexo maxilar, primeiros pré-molares superiores e primeiros molares superiores.
   1. Clique em Polígonos > Remover Picos, clique e arraste o nível de suavidade perto de Baixo, clique em Aplicar e OK.
   2. Clique em Polígonos > Relaxar Polígonos, clique e arraste o nível de suavidade perto de Min, clique em Aplicar e OK.
   3. Clique em Polígonos > Reparar interseções, escolha Relaxar/Limpar na janela Modo, clique em Aplicar e OK.
3. Modifique a superfície do modelo em uma região contínua e fechada.
   1. Clique e arraste a superfície nítida e pressione delete para criar um furo.
   2. Clique em Polígonos > Preencher buracos, use Preencher, Preencher parcial, Criar pontes na janela Método de preenchimento para preencher os buracos, clique em Aplicar e OK.
4. Converta a superfície 2D em um modelo sólido 3D e exporte-a como um arquivo CAD (computer-aided design).
   1. Clique em Editar > Fase > Fase da Forma, selecione Editar contornos para esboçar os contornos da superfície e clique em OK.
   2. Clique em Desenhar layout de patch e desenhe malhas quadriláteras para cobrir todas as superfícies e, em seguida, clique em OK.
   3. Clique em Construir Grades, defina uma Resolução adequada e clique em OK para gerar uma malha mais fina.
   4. Clique em Ajustar superfícies, clique em Aplicar e OK para construir um modelo sólido 3D.
   5. Clique em Arquivo > Salvar como para exportar o modelo 3D e salvá-lo em um arquivo IGES (chamado Maxilla).
5. Criar o osso esponjoso reduzindo o volume do complexo maxilar em 1 mm a partir da superfície alveolar bucal. Criar espaço do ligamento periodontal expandindo o contorno das raízes em 0,2 mm.
   1. Clique em Fase do Polígono, escolha Excluir na janela Linhas de Contorno , selecione Preservar na janela Layout do patch e pressione OK para converter o modelo sólido 3D em uma superfície 2D.
   2. Clique em Polígonos > Deslocamento, insira -1 mm e 0,2 mm no painel Distância para osso esponjoso e ligamento periodontal e clique em Aplicar e OK.
   3. Clique em Editar > Fase > Fase da Forma, selecione Restaurar Layout do Patch e pressione OK.
   4. Clique em Construir Grades, defina uma Resolução adequada e clique em OK para gerar uma malha mais fina.
   5. Clique em Ajustar superfícies, clique em Aplicar e OK para construir um modelo sólido 3D.
   6. Clique em Arquivo > Salvar como para exportar o modelo 3D e salvá-lo em arquivos IGES (chamados CB e PL).

3. Construir um modelo anatômico simétrico de maxila

1. Importe os arquivos CAD para o SolidWorks.
   1. Clique em Arquivo > Abrir, selecione o arquivo Maxilla e pressione Abrir para importar o arquivo CAD.
   2. Clique em Arquivo > Salvar para salvar o arquivo no formato Peça .
2. Construir o osso esponjoso abaixo do plano palatal (PP).
   1. Clique em Inserir > Parte, selecione o arquivo CB e pressione Abrir para importar o arquivo CAD.
   2. Clique em Inserir > Geometria de Referência > Plano, escolha três pontos de feição no plano palatal e clique em OK para criar um plano de corte.
   3. Clique em Inserir Recursos > > Dividir, escolha o plano palatal em Ferramentas de Corte e clique em Cortar Parte para criar uma visualização de corte.
   4. Marque as caixas de seleção em Corpos Resultantes e clique em OK para separar o osso esponjoso.
   5. Clique no osso esponjoso acima do plano palatal, clique com o botão direito do mouse e pressione Excluir na seção Corpo .
3. Construir o ligamento periodontal dos primeiros pré-molares superiores e primeiros molares superiores.
   1. Clique em Inserir > Parte, selecione o arquivo PL e pressione Abrir para importar o arquivo CAD.
   2. Clique em Inserir recursos > > Intersect e escolha Maxilla e PL na janela Seleções .
   3. Selecione Criar ambos na janela Seleções , escolha a parte do ligamento periodontal na Lista de regiões e clique em OK para gerar o ligamento.
4. Realizar um plano de corte palatina mediano da espinha nasal anterior (ENA) para a espinha nasal posterior (ENP) e reter a metade direita do complexo maxilar.
   1. Clique em Inserir > Geometria de Referência > Plano, escolha três pontos de feição no plano palatal médio e clique em OK para criar um plano de corte.
   2. Clique em Inserir Recursos > > Dividir, escolha o plano palatal em Ferramentas de Corte e clique em Recortar Parte para criar uma visualização de corte.
   3. Marque as caixas de seleção em Corpos Resultantes e clique em OK para separar o complexo maxilar.
   4. Clique na metade esquerda do complexo maxilar, clique com o botão direito do mouse e pressione Excluir na seção Corpo .
5. Espelhar a metade direita do complexo maxilar e criar uma metade esquerda idêntica.
   1. Clique em Inserir > Padrão/Espelho > Espelho e escolha o plano palatal médio em Espelho Face/Plano.
   2. Escolha todo o complexo maxilar direito em Bodies to Mirror e clique em OK para gerar a metade esquerda do complexo maxilar.

4. Crie um expansor de Haas e uma faixa para os primeiros pré-molares e primeiros molares superiores

1. Construir a banda pré-molar e a banda molar.
   1. Clique em Inserir > parte, selecione o arquivo PL e pressione Abrir para importar o arquivo CAD.
   2. Clique em Inserir recursos > > Dividir, escolha os dentes no arquivo PL e defina um Uniform Scaling de 1,05. Clique em OK para gerar faixas com 0,5 mm de espessura.
   3. Clique em Inserir > Geometria de Referência > Plano, escolha três pontos de feição no plano oclusal e clique em OK para criar um plano de referência.
   4. Clique em Inserir > Geometria de Referência > Plano, escolha o plano oclusal e defina uma distância de deslocamento de 1,5 mm. Clique em OK para criar o primeiro plano de corte.
   5. Clique em Inserir > Geometria de Referência > Plano, escolha o plano oclusal e defina uma distância de deslocamento de 4,0 mm. Clique em OK para criar o segundo plano de corte.
   6. Clique em Inserir > Recursos > Dividir e escolha o primeiro e o segundo plano em Ferramentas de corte e os dentes em Corpos de destino. Clique em Cortar Corpos para criar uma visualização de corte.
   7. Marque as caixas de seleção em Corpos Resultantes e clique em OK para separar os dentes.
   8. Clique na faixa acima do primeiro plano e abaixo do segundo plano, clique com o botão direito do mouse e pressione Excluir na seção Corpo .
2. Construa a placa de acrílico.
   1. Clique em Inserir > Geometria de Referência > Plano, escolha três pontos de feição no plano do palato duro e clique em OK para criar um plano de esboço.
   2. Clique em Inserir > Esboço, desenhe uma placa de acrílico, consulte o expansor Haas e clique em Sair do Esboço.
   3. Clique em Inserir > Boss/Base > Extrude, escolha o esboço da placa de acrílico, defina 5 mm de profundidade e clique em OK.
   4. Clique em Inserir > recursos > Flex e dobre a placa de acrílico para se ajustar à anatomia do palato.
   5. Clique em Inserir > recursos > filete/redondo e filete as bordas afiadas da placa de acrílico em um raio de 1 mm.
3. Construa os braços expansores.
   1. Clique em Inserir > Geometria de Referência > Plano, escolha três pontos de feição na banda e clique em OK para criar um plano de esboço (chamado P1).
   2. Clique em Inserir > esboço, desenhe um círculo de 2 mm de diâmetro e clique em Sair do esboço (chamado C1).
   3. Clique em Inserir > Geometria de Referência > Plano, escolha três pontos de feição na placa de acrílico e clique em OK para criar um plano de esboço (chamado P2).
   4. Clique em Inserir > esboço, desenhe um círculo de 2 mm de diâmetro e clique em Sair do esboço (chamado C2).
   5. Clique em Inserir > Geometria de Referência > Plano, escolha o plano P2 e defina uma distância de deslocamento de 6 mm. Clique em OK para um plano de esboço.
   6. Clique em Inserir > esboço, desenhe um círculo de 2 mm de diâmetro e clique em Sair do esboço (chamado C3).
   7. Clique em Inserir > Boss/Base > Loft e escolha o esboço C1, C2 e C3 na janela Perfis .
   8. Selecione a banda e a placa de acrílico na janela Escopo do recurso, marque Resultado de mesclagem na janela Opções e clique em OK.

5. Projetar a osteotomia

1. Criar um plano de 1 mm de espessura, equivalente ao diâmetro de uma broca normalmente utilizada pelo cirurgião, a partir do canto da abertura piriforme (Alar) em direção à crista infrazigomática (IZC) em vários graus a partir do plano horizontal.
   1. Clique em Inserir > Geometria de Referência > Plano, escolha três pontos de feição no plano de osteotomia (0°, 10°, 20° ou 30° para o plano horizontal) e clique em OK para criar o plano (chamado O1).
   2. Clique em Inserir > Geometria de Referência > Plano, escolha o plano de osteotomia e defina uma distância de deslocamento de 1,0 mm. Clique em OK para criar um plano de corte inferior (chamado O2).
   3. Clique em Inserir Recursos > > Dividir, escolha o plano O1 e O2 em Ferramentas de Corte e clique em Recortar Parte para criar uma visualização de corte.
   4. Marque as caixas de seleção em Corpos Resultantes e clique em OK para separar o complexo maxilar.
   5. Clique no corpo entre os planos O1 e O2, clique com o botão direito do mouse e pressione Excluir na seção Corpo .
2. Exportar modelos com diferentes ângulos de osteotomia bucal em Parasolid Model Part File (X_T) para análise.
   1. Clique em Arquivo > Salvar como e escolha Parasolid (x_t) na lista Tipo de arquivo .
   2. Clique em Salvar para exportar os modelos do software de análise de elementos finitos.

6. Análise de elementos finitos

1. Importar e definir os parâmetros de material do modelo complexo maxilar para o software Ansys.
   1. Clique e arraste a Estrutura Estática na Caixa de Ferramentas para criar um espaço de trabalho de análise.
   2. Clique duas vezes nos Dados de Engenharia e defina o módulo de Young e a proporção de Poisson de todos os materiais em Propriedades. As propriedades dos materiais das diferentes estruturas^12,15,16 estão listadas na Tabela 1.
   3. Clique duas vezes em Geometria, clique em Arquivo > Importar Arquivo de Geometria Externa e clique em Gerar para importar o modelo complexo maxilar.
   4. Clique em Criar > Booleano e gere o osso cortical e o ligamento periodontal por Boolean com o osso esponjoso e os dentes.
2. Configure o modelo de análise de elementos finitos.
   1. Clique duas vezes no modelo e clique em Geometria para selecionar as propriedades do material para cada peça.
   2. Clique com o botão direito do mouse em Malha e clique em Gerar Malha para criar os elementos no modelo.
   3. Clique em Conexões e atribua a parte mole/pequena em Corpos de Contato e a parte rígida/grande em Corpos de Destino.
   4. Atribua o tipo de contato e o coeficiente de atrito em Definição. As propriedades de conexão das diferentes partes¹⁷ estão listadas na Tabela 2.
   5. Clique com o botão direito do mouse em Conexões, clique em Inserir > Mola para conectar as partes superior e inferior do plano de osteotomia. Ajuste as molas como 1 mm de comprimento com mola constante k = 60 N/mm e coloque uma mola em cada nó de grade.
3. Definir uma força clinicamente aceitável ao longo do eixo x (perpendicular à linha média) sobre a placa de acrílico em várias combinações de osteotomias.
   1. Clique com o botão direito do mouse em Estrutura Estática, clique em Inserir > Suporte Fixo e defina a estrutura no plano palatal imóvel.
   2. Clique com o botão direito do mouse em Static Structural, clique em Insert > Force e defina uma força de 150 N para aplicar na placa de acrílico com uma direção distante da linha medial.
   3. Clique com o botão direito do mouse em Solução e clique em Inserir > Deformação > Total para monitorar a deformação da expansão.
4. Realize um teste de convergência até que as expansões de ambos os lados sejam alcançadas.
   1. Clique em Resolver nas barras de ferramentas e aguarde até que o nível de Convergência de Força atinja o Critério de Força.
   2. Clique em Deformação Total para exibir os resultados da expansão.
5. Meça os deslocamentos dos pontos anatômicos nas três dimensões como resultado da expansão. Sugira os seguintes pontos de referência a serem usados para avaliar o padrão de expansão:
   Ângulo da linha mesioincisal do incisivo central superior (U1).
   Ponta da cúspide bucal do primeiro pré-molar superior (U4).
   Ponta da cúspide mesiobucal do primeiro molar superior (U6).
   Canto lateroinferior da abertura piriforme (Alar).
   Crista infra-zigomática (IZC).
   Ponto médio do expansor.

Results

O modelo demonstrativo utilizou a imagem da TCFC de uma mulher de 47 anos com deficiência maxilar. No modelo gerado, a estrutura anatômica da cavidade nasal, do seio maxilar e do espaço do ligamento periodontal para os dentes ancorados em expansores (primeiro pré-molar e primeiro molar) estão preservados (Figura 1).

Para simular o procedimento cirúrgico com precisão, o septo nasal, as paredes laterais da cavidade nasal e a fissura pterigomaxilar foram separados do...

Discussion

A direção da osteotomia bucal no PESAR pode ser um corte horizontal da abertura nasal antes de descer na área do contraforte maxilar ou um corte rampa da borda piriforme em direção ao contraforte correspondente ao primeiro molar superior, como descrito por Betts². De qualquer forma, a osteotomia se estende bem abaixo do processo zigomático da maxila. Entretanto, a maioria dos estudos atuais da FEA sobre PEAR utiliza um corte horizontal que se estende posteriormente no mesmo nível da borda

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ansys	Ansys	Versão 2019	Ansys é um software para análise de elementos finitos que pode resolver modelos complicados baseados em equações diferenciais. Os resultados da expansão de diferentes ângulos de osteotomia vestibular foram analisados por meio desse software.
Geomagic Studio	3D Systems	Versão 10	Geomagic Studio é um software para engenharia reversa que pode gerar modelos digitais com base em pontos físicos de varredura. Este estudo construiu osso esponjoso e ligamentos periodontais por meio deste software.
Mimics	Materialize	Versão 16	O Mimics é um software de engenharia médica baseado em imagens 3D que converte com eficiência imagens de TC em um modelo 3D. Este estudo reconstruiu um complexo maxilar por meio das imagens DICOM do paciente.
Sistema SolidWorks	Dassault; mes	Versão 2018	O SolidWorks é um software de projeto auxiliado por computador para designers e engenheiros criarem modelos 3D. Um expansor Haas foi projetado e desenhado por meio deste software neste estudo.